功率半导体器件在工作过程中会产生损耗。功率半导体芯片与传统厨房中的炉灶相比,其热流密度高了一个数量级,并且高于奔腾4处理器的热流密度。不同热源的热流密度可参见下图。
3)在各个开关之间、电路与散热片之间为功率模块提供额外的电绝缘性。这个问题的解决不是微不足道的,它是目前令工程师最兴奋的挑战之一。
分立式封装普遍应用于各种小功率范围。这种封装的器件要焊接到PCB上应用。由于产生的功率损耗相对小,散热要求不高,这种封装的设计大多不用内绝缘,因而每个封装中只能有一个开关。晶体管大多采用这种类型的封装,因此称之为“晶体管外形“(TransistorOutline, TO)封装。
相对于分立式封装,功率半导体模块具有如下特点:是一个将电路元件与散热安装面介电隔离的绝缘结构;通常以芯片并联的方式实现一些单一功能(相位滞后电路)。功率半导体模块以阻断电压1200V及其以上,电流10A以上为主。它们以集成多种弱电功能(例如,变流器-逆变器-制动拓扑)为特点。
最后是饼形封装,其优点有器件表面区和封装表面区之间具有良好联系的紧凑设计;器件双面冷却;没有引线连接,引线连接通常代表可靠性不高;在具有不同热胀系数的材料之间,没有或几乎没有刚性连接。这最后两点使其有望实现高可靠性。但是其缺点为无介电隔离,用户需在应用中提供绝缘;安装组件时有点费事,必须施加和维持一个确定大小的单轴高压力。
降低器件发热量的三个途径:通过优化电路,避免开关器件进入方法区域,减小器件上的功率消耗;降低器件的热阻,即提高器件的散热能力;提高器件的电流能力,降低饱和压降。在电路和芯片已固定的情况下,避免器件发热失效重要的途径就是降低器件的热阻。
热阻是表征晶体管工作时所产生的热量向外界散发的能力,单位为℃/W,即是当管子消耗1W时器件升高的度数。热阻主要由芯片内热阻、接触热阻和底部散热有关,其中芯片内热阻由芯片的大小及材料决定,接触热阻与封装工艺有关。

